Tema 3. proteinas. composicion y estructura

Tema 3. Proteínas: composición y estructura

Bioquímica Estructural y Metabólica



Jesús Navas Méndez

TEMA 3. Proteínas: composición y estructura.

Enlace pep)dico. Pép0dos. Niveles de organización estructural de las proteínas. Estructura primaria. Proteínas homólogas. Estructura secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas. Principales mo0vos de estructura secundaria: hélices alfa, láminas beta y giros beta. Fuerzas que estabilizan la estructura tridimensional. Desnaturalización de las proteínas. Principales agentes desnaturalizantes.




•  Reconocer los niveles estructurales de las proteínas. •  Comprender el concepto de homología.

•  Familias de proteínas. Ortólogos y parálogos.

•  Diferenciar las dis0ntas estructuras secundarias. •  Comprender los factores que determinan su estructura tridimensional.

•  Relacionar la estructura con la función de las proteínas. •  Comprender cómo la estructura y la función se alteran cuando cambia el entorno molecular.

OBJETIVOS




GarreJ and Grisham. Biochemistry. 4ª ed. 2009.

LOS AMINOÁCIDOS SE PUEDEN UNIR POR ENLACES PEPTÍDICOS

Dos aminoácidos

Eliminación de una molécula de agua

... Formación del enlace CO-‐NH

Extremo amino Extremo carboxilo

Enlace pep)dico




•  PépOdo: hasta 50 aminoácidos.

•  OligopépOdo: pép0do pequeño. •  PolipépOdo: pép0do grande. •  Oligómero: proteína formada por subunidades idén0cas llamadas protómeros.

•  Proteínas sencillas y conjugadas (poseen grupo prostéOco).

PEPTIDOS Y PROTEINAS




•  Principal pép0do de las células. •  Papeles biológicos: -‐ Defensa celular contra compuestos oxidantes: H2O2 + 2GSH GSSG + 2 H2O.

-‐ Mantenimiento de las proteínas en estado reducido.

Glu-‐Cys-‐Gly (L-‐glutamil-‐L-‐cisteinil-‐glicina)

GLUTATIÓN




PÉPTIDOS PEQUEÑOS CON FUNCIONES BIOLÓGICAS IMPORTANTES

•  Hormonas: oxitocina (9 aacs), factor liberador de 0rotropina (3 aacs).

•  AnObióOcos. •  Venenos (amani0na).

•  Edulcorante (aspartamo).




PROTEÍNAS: PRINCIPALES POLÍMEROS ESTRUCTURALES Y FUNCIONALES DE LOS SERES VIVOS

•  Catálisis de reacciones enzimá0cas, transporte de vitaminas, minerales, oxígeno y combus0bles.

•  Estructura de tejidos, transmisión nerviosa, contracción muscular y mo0lidad celular.

•  Coagulación sanguínea, defensas inmunológicas, hormonas y moléculas reguladoras.







CLASIFICACIÓN DE PROTEÍNAS SEGÚN SU GRUPO PROSTÉTICO

CLASE GRUPO PROSTÉTICO EJEMPLO

Lipoproteínas Lípidos B-‐Lipoproteína

Glucoproteínas Carbohidratos Ig G

Fosfoproteínas Fosfato Caseína leche

Hemoproteínas Hemo Hemoglobina

Flavoproteínas Nucleó0dos flavina Succinato DH

Metaloproteínas Hierro Ferri0na

Zinc Alcohol DH

Calcio Calmodulina

Molibdeno Dinitrogenasa







La insulina 0ene dos cadenas unidas por dos puentes disulfuro.

La cadena A 0ene 21 aa y la B 0ene 30 aa.

GarreJ and Grisham. Biochemistry. 4ª ed. 2009.

SECUENCIA DE LA INSULINA DE VACA










NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LAS PROTEÍNAS

Estruct. Primaria Estruct. secundaria Estruct. terciaria Estruct. Cuaternaria

Aminoácidos Hélice alfa Cadena polipep)dica Subunidades ensambladas

Lehninger Principles of Biochemistry. 5ª ed. Freeman, 2009.




FACTORES QUE DETERMINAN LA CONFORMACIÓN PROTEICA

•  Además de la estructura primaria, las condiciones csico-‐químicas del entorno: el pH, concentración salina, temperatura y otros factores ambientales.

•  Desnaturalización es la pérdida de la conformación de una proteína.

•  Una proteína desnaturalizada pierde su ac0vidad biológica.




CARACTERIZACIÓN DE UNA PROTEÍNA

•  Composición de aminoácidos.

•  Carga eléctrica (pI). •  Estructura primaria, secundaria, terciaria, y en las proteínas mul0méricas, su estructura cuaternaria.




ESTRUCTURA PRIMARIA

•  Sirve para entender sus propiedades funcionales, iden0ficar la familia a la que pertenece y describir los polimorfismos y las proteínas mutantes que causan enfermedades moleculares.

•  Se determina a par0r de la secuencia del gen o secuenciando la proteína.




•  Cada proteína 0ene un número de residuos y secuencia carácterís0cos.

•  Las proteínas con0enen regiones esenciales para su función, cuya secuencia se encuentra conservada.

•  La estructura primaria de una proteína puede variar en diferentes especies y dentro de la misma especie entre individuos, tejidos del mismo individuo y fase del desarrollo (el 20-‐30% de las proteínas humanas son polimórficas).

•  Una mutación puntual puede producir un cambio en la secuencia de aacs que resulta en una proteína defectuosa, causando una patología. En otros casos se producen deleciones (distrofina en la enfermedad de Duchene).

LA FUNCIÓN DE UNA PROTEÍNA DEPENDE DE SU SECUENCIA DE AMINOÁCIDOS




¿QUÉ INFORMACIÓN PROPORCIONA LA SECUENCIA DE AMINOÁCIDOS?

•  Predicción de su estructura 3D, su función, localización celular y su evolución.

•  Clasificación de las proteínas en familias (25% de iden0dad mínima para pertenecer a la misma familia).

•  Detección de mo0vos relacionados con funciones importantes (localización celular, modificación química y vida media).




PROTEÍNAS DE FUNCIÓN SIMILAR TIENEN FRAGMENTOS DE SECUENCIA SIMILARES

Sabiendo la secuencia de una proteína, se puede predecir si su función se parece a la de proteínas de función ya conocida.




PROTEINAS HOMÓLOGAS

• Moléculas homólogas: derivan de un antecesor común.

•  La homología se manifiesta por una similitud significa0va en la secuencia de nucleó0dos y aminoácidos, casi siempre proyectada en la estructura 3D y en la función.

•  Proteínas homólogas: 0enen secuencias de aacs y funciones semejantes.

•  Homólogos ortólogos: homólogos presentes en especies dis0ntas, con funciones idén0cas o similares.

•  Homólogos parálogos: homólogos presentes en la misma especie. Se diferencian en sus funciones bioquímicas detalladas. Ejemplo: mioglobina y hemoglobina.




Gen ancestral

Especiación

Genes ortólogos




Gen ancestral

Duplicación génica

Genes parálogos




SECUENCIAS DE LA MIOGLOBINA HUMANA Y DE CACHALOTE (ORTÓLOGOS)

Mathews & Van Holde.




ALINEAMIENTO DE SECUENCIAS DE PROTEÍNAS CON EL USO DE HUECOS







ESTRUCTURA SECUNDARIA

•  Patrones repe00vos que se forman al plegarse los polipép0dos.

•  Puede predecirse con bastante fiabilidad a par0r de la secuencia.

•  Tipos de estructura secundaria más frecuentes:

Hélice alfa, lámina plegada β y giro β.




EL ENLACE PEPTÍDICO ES PLANO Y RÍGIDO Los seis átomos del grupo pep)dico están en el mismo plano debido al

carácter de doble enlace parcial del enlace pep)dico.

GarreJ, R.H. and Grisham, C.M. Biochemistry. 2ª ed. Saunders College Publishing. 1999.




Un doble enlace puro C-‐O permiOría la rotación alrededor del C-‐N.

Un doble enlace C=N impediría la rotación pero en ese caso habría una carga neta negaOva en el O–

La verdadera densidad electrónica es intermedia. La barrera para la rotación C-‐N es de unos 88 kJ/mol, que es suficiente

para mantener el grupo amido en un plano.

LA RESONANCIA DE ELECTRONES CONFIERE AL ENLACE PEPTÍDICO CARÁCTER DE DOBLE ENLACE PARCIAL





Nelson, DL and Cox, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry. 3ª ed. Worth Publishers, 2000.

HAY LIBRE ROTACIÓN ALREDEDOR DE LOS

ENLACES Cα-‐CO y Cα-‐N




Cadena lateral

Planos del enlace amida

Aminoácidos

Un pép0do puede tener varias conformaciones según los ángulos Phi y Psi (adopta la más favorable desde el punto de vista energé0co = menores impedimento estérico y repulsión electrostá0ca).





HÉLICE ALFA: ESTRUCTURA RÍGIDA EN FORMA DE VARILLA QUE SE FORMA CUANDO UNA CADENA POLIPEPTÍDICA SE RETUERCE EN UNA CONFORMACIÓN HELICOIDAL A DERECHAS

Se forma un puente de H entre el CO de un aminoácido y el NH del cuarto aminoácido por detrás.





HÉLICE ALFA


•  Un puente de H entre el CO de un aminoácido y el NH del cuarto por detrás.

•  3,6 aacs por vuelta de hélice.

•  5,4 Amstrong (0,15 nm) de distancia entre vuelta y vuelta.

•  Dextrógira.




Las cadenas laterales sobresalen de manera perpendicular al eje de

la hélice.





FACTORES QUE AFECTAN A LA ESTABILIDAD DE LA HÉLICE ALFA

•  Repulsión o atracción electrostá0ca entre residuos. •  Impedimento estérico (entre residuos adyacentes y entre residuos separados por 3 ó 4 aminoácidos).

•  La prolina y la glicina 0enen un efecto desestabilizador de la alfa hélice.




Mioglobina Bacteriodopsina

DOS PROTEÍNAS FORMADAS MAYORITARIAMENTE POR HÉLICES ALFA




CONFORMACIÓN EN LÁMINA BETA

•  Se forman cuando se alinean de lado dos o más segmentos de cadenas polipep)dicas.

•  Esqueleto de la cadena polipep)dica extendido en zig-‐zag.

•  Las cadenas polipep)dicas en zig-‐zag se disponen de manera adyacente formando una lámina estabilizada por puentes de H.

•  Láminas beta paralelas (cadenas orientadas en la misma dirección) y an0paralelas (orientadas en direcciones opuestas).




Hoja beta paralela

Hoja beta an0paralela

1 2 3





HOJA BETA ANTIPARALELA

N C

C

C

N

N





HOJA BETA PARALELA

N


N

N




GIROS BETA

•  Son elementos de conexión entre hélices alfa y/o láminas beta.

•  Determinan un cambio de dirección de las cadenas polipep)dicas.

•  Se forma un puente de hidrógeno entre un residuo (n) y el situado tres aminoácidos después (n+3).

•  La prolina y la glicina abundan en los giros beta.




GIRO BETA

Paralela

An0paralela

1

2 3

4





LA PROBABILIDAD DE FORMAR HÉLICE ALFA O LÁMINA BETA ES, EN CIERTA MEDIDA, PREDECIBLE A PARTIR DE LA SECUENCIA DE AMINOÁCIDOS, SEGÚN LOS ÁNGULOS Φ Y Ψ





PUEDE HABER LARGOS FRAGMENTOS DE PROTEÍNA SIN ESTRUCTURA SECUNDARIA DEFINIDA

Quimotripsina





ESTRUCTURA TERCIARIA

•  Estructura espacial de la proteína. •  Depende de la secuencia de aacs y puede predecirse. Se determina por difracción de RX.

• MoOvo: patrón de plegamiento caracterís0co que aparece en varias proteínas.

•  Dominio: región de la cadena polipep)dica que puede plegarse de manera estable e independiente.




Determinación de la estructura de una proteína por difracción de

rayos X.




ESTRUCTURA TERCIARIA DE LAS PROTEÍNAS

•  Cada proteína posee una única estructura 3D.

•  La estructura 3D de una proteína depende de la secuencia de aacs.

•  La función de una proteína depende de su estructura 3D.

•  La estructura 3D se estabiliza mediante enlaces disulfuro y fuerzas no covalentes.

•  Dentro de la gran variedad de las proteínas se reconocen algunos patrones estructurales comunes.




FUERZAS QUE ESTABILIZAN LA ESTRUCTURA TERCIARIA

1. Puentes di-‐sulfuro. 2. Atracción electrostá0ca. 3. Puentes de hidrógeno. 4. Interacción hidrofóbica.

-‐

+ H O

Ser

Glu

CO O-‐

Asp

COO

Lys

NH3

Phe

OH

Tyr

1 3

4

Val

Ile

CH3

CH3 CH3 CH3

Cys

Cys

S

S 2




•  Proteínas naOvas son las que se encuentran en su conformación funcional plegada (la más estable).

•  Las interacciones que estabilizan la conformación na0va de una proteína son los puentes disulfuro y las interacciones no covalentes.

•  La conformación más estable es la que permite la formación del máximo número de puentes de hidrógeno dentro de la proteína.

•  En general los residuos hidrofóbicos quedan orientados hacia el interior de la proteína, lejos del contacto con el entorno acuoso. Los residuos hidroclicos quedan orientados hacia el exterior.




La secuencia de aminoácidos permite predecir con cierta aproximación la estructura

tridimensional de dominios no muy grandes de proteínas.





(Stryer, 2002)

ORTÓLOGOS Y PARÁLOGOS TIENEN

ESTRUCTURAS TERCIARIAS SEMEJANTES




•  Lehninger Principles of Biochemistry. 5ª ed. Freeman, 2009. Caps 3, 4.

•  Mark’s Basic Medical Biochemistry. A clinical approach. 3ª ed. LWW., 2008. Caps 6, 7.

•  Devlin. Textbook of Biochemistry with Clinical correla>ons. 7ª ed. Wiley, 2010. Cap 9.

•  Feduchi y cols. Bioquímica: conceptos esenciales. Panamericana, 2011. Cap 5.

•  Berg, Tymoczko and Stryer. Biochemistry. 7ª ed. WH. Freeman, 2011. Caps 2, 3.

•  Voet and Voet. Biochemistry. 4ª ed. Wiley, 2011. Caps 7, 8.

•  Baynes and Dominiczak. Bioquímica Médica. 3ª ed. Elsevier, 2011. Cap 2. •  GarreJ and Grisham. Biochemistry. 4ª ed. 2009. Caps 5, 6.

BIBLIOGRAFÍA

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